用 TEXTIO 在 VHDL 测试平台读取 BMP 位图图像

VHDL 测试平台导入图像最简单方式是用 BMP 光栅图形格式。BMP 文件被 Windows 原生支持，且以无压缩方式暴露原始像素数据，极适合仿真。

本文讲解如何读取二进制 BMP 文件、将像素数据存入动态内存、送入 VHDL DUT、并将处理后图像写回新 BMP 文件。示例 DUT 执行灰度转换，但技术适用于任何逐像素处理模块。

属于 TEXTIO 系列：

• 用 TEXTIO 从文件初始化 RAM
• 用 TEXTIO 在测试平台读取激励文件

为何 BMP 是 VHDL 最优格式

JPEG 和 PNG 网络普及，但都用压缩。JPEG 有损，PNG 无损；两者都给测试平台直接访问像素数据增加复杂层。BMP 以无压缩光栅图形存储图像数据，每像素用原始 RGB 字节表示。这省去了 VHDL 中解压代码，保证确定性仿真时间。

Photoshop 或 GIMP 等常见图像编辑器内部以光栅数据加载图像。对 VHDL，手动（或脚本）将源图像转 BMP 是最直接途径。

准备 BMP 文件

用 Windows 画图确保一致文件布局：

1. 打开图像。
2. 选 文件 > 另存为。
3. 选 24‑位位图 (*.bmp; *.dib) 并保存。

此法文件头始终为 54 字节 BITMAPINFOHEADER 变体，RGB24 像素格式。下表列出读取的头部字段。

仅绿底字段必需；其余作完整性检查。

测试用例

下面是最小灰度 DUT，接受 24 位 RGB 输入并输出对应亮度值编码回 RGB。模块纯组合，无需时钟。

entity grayscale is port ( r_in : in std_logic_vector(7 downto 0); g_in : in std_logic_vector(7 downto 0); b_in : in std_logic_vector(7 downto 0); r_out : out std_logic_vector(7 downto 0); g_out : out std_logic_vector(7 downto 0); b_out : out std_logic_vector(7 downto 0) ); end grayscale; 

为完整起见，完整工程源码（含 1000×1000 像素波音 747 BMP）可在链接表单提供邮箱下载。

导入 TEXTIO

VHDL 文件顶部添加：

use std.textio.all; use std.env.finish;

这些声明要求 VHDL‑2008 或更新版本。

图像存储自定义类型

在测试平台声明区定义以下类型：

type header_type is array (0 to 53) of character; type pixel_type is record red : std_logic_vector(7 downto 0); green : std_logic_vector(7 downto 0); blue : std_logic_vector(7 downto 0); end record; type row_type is array (integer range <>) of pixel_type; type row_pointer is access row_type; type image_type is array (integer range <>) of row_pointer; type image_pointer is access image_type;

这些动态数据结构让测试平台适应任意尺寸图像，无静态数组限制。

实例化 DUT

signal r_in, g_in, b_in : std_logic_vector(7 downto 0); signal r_out, g_out, b_out : std_logic_vector(7 downto 0); begin DUT : entity work.grayscale port map ( r_in => r_in, g_in => g_in, b_in => b_in, r_out => r_out, g_out => g_out, b_out => b_out ); 

读取 BMP 头部

进程先将 54 字节头部加载到 header 变量，用 assert 校验关键字段。防止误用不支持文件格式。

for i in header_type'range loop read(bmp_file, header(i)); end loop; -- Basic sanity checks assert header(0) = 'B' and header(1) = 'M' report "First two bytes are not ""BM"". This is not a BMP file" severity failure; assert character'pos(header(10)) = 54 and character'pos(header(11)) = 0 and character'pos(header(12)) = 0 and character'pos(header(13)) = 0 report "Pixel array offset is not 54 bytes" severity failure; assert character'pos(header(14)) = 40 and character'pos(header(15)) = 0 and character'pos(header(16)) = 0 and character'pos(header(17)) = 0 report "DIB header size is not 40 bytes, is this a Windows BMP?" severity failure; assert character'pos(header(26)) = 1 and character'pos(header(27)) = 0 report "Color planes is not 1" severity failure; assert character'pos(header(28)) = 24 and character'pos(header(29)) = 0 report "Bits per pixel is not 24" severity failure;

校验后提取图像宽高：

image_width := character'pos(header(18)) + character'pos(header(19)) * 2**8 + character'pos(header(20)) * 2**16 + character'pos(header(21)) * 2**24; image_height := character'pos(header(22)) + character'pos(header(23)) * 2**8 + character'pos(header(24)) * 2**16 + character'pos(header(25)) * 2**24; report "image_width: " & integer'image(image_width) & ", image_height: " & integer'image(image_height);

读取像素数据

每 BMP 行填充至 4 字节倍数。计算每行填充并为图像分配动态存储。

padding := (4 - image_width*3 mod 4) mod 4; image := new image_type(0 to image_height - 1); for row_i in 0 to image_height - 1 loop row := new row_type(0 to image_width - 1); for col_i in 0 to image_width - 1 loop read(bmp_file, char); row(col_i).blue := std_logic_vector(to_unsigned(character'pos(char), 8)); read(bmp_file, char); row(col_i).green := std_logic_vector(to_unsigned(character'pos(char), 8)); read(bmp_file, char); row(col_i).red := std_logic_vector(to_unsigned(character'pos(char), 8)); end loop; for i in 1 to padding loop read(bmp_file, char); end loop; -- discard padding image(row_i) := row; end loop;

测试 DUT

将每像素送入 DUT，等待小增量周期，捕获灰度输出。

for row_i in 0 to image_height - 1 loop row := image(row_i); for col_i in 0 to image_width - 1 loop r_in <= row(col_i).red; g_in <= row(col_i).green; b_in <= row(col_i).blue; wait for 10 ns; row(col_i).red := r_out; row(col_i).green := g_out; row(col_i).blue := b_out; end loop; end loop;

写入输出 BMP

先写保留的头部。再逐行序列化像素数据，必要处加填充。最后清理动态内存并关闭文件。

for i in header_type'range loop write(out_file, header(i)); end loop; for row_i in 0 to image_height - 1 loop row := image(row_i); for col_i in 0 to image_width - 1 loop write(out_file, character'val(to_integer(unsigned(row(col_i).blue)))); write(out_file, character'val(to_integer(unsigned(row(col_i).green)))); write(out_file, character'val(to_integer(unsigned(row(col_i).red)))); end loop; deallocate(row); for i in 1 to padding loop write(out_file, character'val(0)); end loop; end loop; deallocate(image); file_close(bmp_file); file_close(out_file); report "Simulation done. Check ""out.bmp"" image."; finish; end process;

结果图像

生成的 out.bmp 文件显示原始波音 747 图像的灰度版。文章显示 JPEG 预览；完整 BMP 文件可通过下载表单获取。

进一步考量

• 高吞吐图像处理可考虑 YUV 编码，将亮度 (Y) 与色度 (U/V) 分离。RGB 与 YUV 互转简单且常更硬件友好。
• CMYK 转换更复杂，因不存在一对一像素映射；通常需查找表或更复杂算法。
• 自定义编码时，可设计轻量文件格式（如 .yuv 或 .cmyk）省去 BMP 头部，简化解析。
• 自动化 BMP 转换步骤（如用 ImageMagick convert 命令）确保仿真运行间测试向量一致。